3种不同形式的板弹簧性能分析

板弹簧技术是航空航天用斯特林制冷机长寿命、高可靠运行的关键技术之一。大的板弹簧径向刚度为活塞提供支撑,以保证活塞在极小的间隙内实现与汽缸之间的无接触运动;板弹簧轴向刚度为活塞直线运动提供轴向的自由度,其轴向的最大行程受到板弹簧材料疲劳极限的限制;由于没有活塞环等密封元件,高低压之间的密封通过活塞与气缸之间的间隙密封来实现,这大大提高了活塞和气缸间的装配难度。本文针对3种常见的板弹簧:同心涡旋臂板弹簧、偏心涡旋臂板弹簧和直线臂板弹簧进行有限元分析。通过改变板弹簧载荷、厚度和弹簧臂宽度等参数,对3种型式的板弹簧分别进行加载求解,得到弹簧的应力和位移分布云图。通过模态分析得到板弹簧的自然频率,为有效避免板弹簧的谐振提供依据。分析表明:在基本结构参数相同的情况下,直线臂板弹簧可以提供较大的径向刚度与轴向刚度之比和较高的自然频率,有利于整机系统的轻量化。     

基于可靠性的弹性折叠机构设计优化方法研究

描述了基于可靠性的弹性折叠机构设计优化方法。采用特征造型方法建立了弹性折叠机构几何模型,CAD二次开发技术实现了折叠机构模型的参数化自动建模;考虑折叠机构几何参数不确定性,建立了折叠机构可靠性动态分析模型;基于功能函数的极小变换法将机构动态可靠性分析问题简化为静态问题;采用一次二阶矩法分析了机构折叠时间、最大应力和机构寿命的可靠度;以折叠机构几何参数为设计变量,采用修正的可行方向法驱动优化使折叠机构质量最轻且寿命更长。数值分析结果显示功能函数的极小变换法将机构动态可靠性分析简化为静态可靠性分析,可以在保证分析精度的前提下,提高可靠性分析效率;同时与传统优化方法比较表明,可靠性优化设计方法可以通过牺牲部分优化目标性能换取优化设计结果可靠性的提高。     

飞机大部件对接自动化制孔单向压紧力分析

飞机装配制孔过程中施加一定的压紧力可以有效控制贴合面间隙,而飞机大部件对接自动化制孔,只能采用单向压紧的方法。本文首先分析了单向压紧力对毛刺的影响,并讨论了压紧力分析的3种分析方法,然后以某飞机中机身和中后机身对接处的典型位置为实例,应用有限元方法分析了贴合面间隙随压紧力变化情况,最后给出合理的压紧力推荐值。     

考虑界面应力的高精度冰粘附力测量平台设计（英文）

机翼和发动机上的积冰会对飞行安全带来严重威胁。准确测量冰-基底界面的粘附强度对防/除冰系统的设计起着至关重要的作用。本文研究通过有限元分析（Finite element analysis,FEA）对冰-基底界面的应力进行评估,以指导实验装置的设计,从而提高剪切粘附强度的测量精度。通过考虑剥离应力、最大冯-诺斯应力和应力均匀性等因素,对冰的高度和半径以及加载高度进行了评估。根据仿真结果,为实验验证选择了适当的参数。仿真结果显示,通过降低加载高度和增加冰的高度,剥离应力有所下降。较高的冰层、增加加载高度和较小的冰层半径有利于提高应力均匀性。同时,为了避免裂纹产生或者冰层破碎,冰样必须满足小半径和大高度的条件。最终实验中采用的参数为冰高25 mm,半径20 mm,加载高度9 mm。有限元分析和实验验证的结果均表明,本研究能显著提高剪切粘附强度的测量精度。     

基于正交实验法的弓网耦合除冰数值模拟（英文）

基于正交实验方法和有限元仿真方法,设计五因素四水平正交实验表,研究了作业速度、覆冰厚度、弓头质量、弓头刚度以及弓头阻尼对除冰率的影响。建立了接触网-覆冰有限元模型和受电弓-接触网耦合有限元模型,并通过对比理论值和仿真值验证了有限元模型的准确性。仿真结果表明：作业速度和弓头质量对接触力和接触线抬升量影响较大,进而影响除冰率,但弓头质量大于17 kg后影响程度趋于平缓。正交实验结果表明：列车运行速度、弓头质量和覆冰厚度是影响除冰率的主要因素,而弓头刚度和阻尼对除冰率影响不显著。这些结果可为提高列车行驶安全性、改善弓网耦合除冰技术提供参考。     

面向机器人原位加工的大型飞船舱体变位姿态优化方法（英文）

在利用机器人实施大型飞船舱体的原位加工时,对舱体旋转变位次数与机器人整体加工性能的关注引入了一双目标优化问题。本文基于机器人刚度特性和非支配排序遗传算法,提出了一种舱体变位方案优化方法。首先,设计了以机器人笛卡尔刚度为基础的特征加工质量评价指标,并建立了原位加工过程模型。其次,为应用非支配排序遗传算法,提出了一种加工过程的双染色体编码方法及相应的交叉变异算子。此外,通过修复算子处理频繁出现的非法编码,保证了算法的寻优效率。仿真及实验研究的结果表明,适当增加舱体变位次数能够有效提升机器人的加工性能,并在工质量和时间成本上实现综合优化。     

基于折纸的大型空间薄膜遮阳结构设计与分析（英文）

提出了一种轻质、展开顺畅、收纳比高且不需要额外驱动动力的新型自展开薄膜遮阳结构。利用4根等长的带状弹簧驱动叶内环绕折叠的聚酰亚胺薄膜,并计算了收纳比。为了防止薄膜在展开过程中出现钩挂和破损的问题,对薄膜展开的轨迹、薄膜的应力分布以及带状弹簧骨架的模态分布进行了有限元仿真,并制作了测试样机以验证设计的可行性。结果显示,利用带状弹簧驱动薄膜展开,展开过程顺利,带状弹簧展开时的冲击不会造成薄膜损伤,薄膜折痕处的最大应力约为42.3 MPa,低于材料的许用应力,且收纳比达到了69.4。     

直升机地面转弯运动特性研究（英文）

直升机地面转弯通过尾桨拉力和地面对尾轮的摩擦力实现,当直升机重心靠后时出现低速滑行或静止状态下转弯困难的现象。本文以某型号直升机为研究对象,基于动力学基础理论建立了直升机地面转弯运动动力学模型。该模型考虑直升机机体六自由度运动模型、起落架缓冲器运动模型、轮胎力学模型和支柱摩擦盘摩擦特性,对直升机地面直角转弯及静态转弯进行动力学仿真,并分析尾桨拉力、滑行速度、尾轮稳定距等参数对转弯动态响应的影响规律。结果表明,通过增大尾轮稳定距可提高直升机地面转弯性能。     

汽车炸弹爆炸作用下的刚性防爆墙设计方法（英文）

防爆墙可以阻挡袭击车辆的行进,在一定程度上削减爆炸冲击波的威力。然而现有研究大多集中于冲击波的传播和防爆墙对冲击波传播的影响方面,缺乏防爆墙主要设计参数分析。为此,本文采用有限元程序LS-DYNA设计防爆墙,通过建立几种不同网格尺寸的有限元模型,探讨有限元模型的收敛性,并经模型验证确定防爆墙模型的最终网格尺寸。最后,通过数值模拟得到了冲击波在防护建筑表面的超压分布,以进行防爆墙的设计。设计过程中首先确定了防爆墙的几何参数,然后重点讨论了安全距离对建筑物表面超压的影响,并最终确定防爆墙的设计参数。模拟结果表明:当超压小于2 kPa时,建筑外墙玻璃不会产生飞溅破片对人体造成伤害,因此将其作为设计准则。确定后的防爆墙高度取3 m,厚度取1 m,安全距离取35 m。按所提的防爆墙设计方法得到的设计参数可作为设计参考。     

编码对平行跑道离场程序的影响（英文）

以某机场离场航线偏差为例,分析了飞机在离场过程中偏离标称航线的原因。分析了离场程序的编码规则,从编码和磁差两个方面讨论了影响航迹偏差的因素,得到了不同编码对平行跑道离场程序的影响,对实际运行具有重要的指导意义。     

面外弯曲振动薄板上的除冰剪切应力分布特征研究（英文）

基于压电驱动器激励振动的机械力学式除冰技术是一种重量小和能耗低的新型除冰技术,用于应对航空结冰威胁问题。其中机械振动引起的界面剪切应力和相应结构振动模态是该除冰技术研究中的两个重要方面。寻找合适的振动模态来产生足够的界面剪切应力以提高除冰效率是研究中的重要内容。薄板的振动模态通常用横向轴线和纵向轴线上的反节点数m和n来描述。本文目的是研究不同结构弯曲振动模态下除冰剪切应力的分布特征,从而为基于机械振动的结冰防护系统（Ice protection system, IPS）的详细设计建立目标振动模态的选择依据。通过理论分析和仿真计算,建立了界面剪切应力与结构振动模态参数之间的关系。采用“冰层-平板-压电陶瓷”的有限元分析模型（Finite element model, FEM）,仿真计算了不同振动模态下的应力应变水平,并根据仿真和实验结果分析了除冰剪切力的分布特征。最终给出了基于弯曲振动模态参数m和n的特征来确定除冰模态的选择标准。     

新型流体袋缓冲机构的几何参数对缓冲性能的敏感性分析和优化（英文）

设计了一种能在小位移条件下提供轴向大刚度的流体袋缓冲机构。研究了当它受到冲击载荷时,机构的刚度和流体袋内部压力的动态变化规律。针对受冲击过程中对柔性接头的保护性能和流体袋内部的压力变化,采用正交实验设计方法,分析了流体袋各几何参数对轴向刚度影响的敏感性,得出了受冲击时流体袋各几何参数的最优参数组合,该参数组合可以使内壳的位移减少41.4%。结果表明：流体袋受冲击后,其内部压力是一个振荡波动的上升过程;流体袋各几何参数对机构轴向刚度的敏感性高低顺序为：高度H、半径r、壳厚t、倒角A;流体袋各几何参数和流体袋内部压力的相关性关系为：高度H和内部压力为负相关关系,半径r、壳厚t、倒角A和内部压力为正相关关系。     

基于闪光红外热像技术的积冰探测方法（英文）

结冰探测在防除冰系统运行中起着至关重要的作用。本文提出了利用红外热波检测技术进行了积冰探测,并运用相关分析技术探讨了积冰边缘、厚度识别与冰形重建的方法。搭建了闪光脉冲红外主动式红外积冰探测实验平台,制备了规则型与阶跃型积冰样件,借助红外热像仪采集了受脉冲红外热激励后的积冰红外热信号。运用传统边缘检测方法与新构建的高斯-拉普拉斯金字塔和面积滤波相结合的边缘检测算法进行了积冰边缘识别效果的对比与分析。利用积冰热信号的时空相关性,提出了在长短时记忆（Long short term memory,LSTM）模型中引入注意力机制建立端到端的红外探测积冰厚度预测模型（Convolutional neural netwok-long short term memory-efficient channel attention,CNN-LSTM-ECA）,用以预测积冰厚度。此外,通过结合边缘检测和厚度预测,进行了阶梯状积冰样件的三维重建。结果表明,基于高斯-拉普拉斯金字塔和区域滤波的传统边缘检测算法和新的边缘检测算法都可以用于检测冰的外边缘,但新算法在检测具有内部阶梯边界的冰边缘方面显示出显著的优势。基...     

起落架指型锁解锁力特性的研究（英文）

研究了指型锁的长度、直径和指尖角度等因素对解锁力的影响,获得了解锁力的理论计算公式并分析了影响解锁力的敏感参数。首先对指型锁解锁力进行理论计算,获得解锁力与各个参数改变的变化规律;然后通过实验验证模型的有效性;最后使用正交实验法分析了各参数对解锁力影响的敏感性。结果表明,本文所得计算公式有效可靠;指型锁长度、直径1、直径2与解锁力负相关,指尖角度与解锁力正相关;影响解锁力的参数敏感性由高到低分别为指型锁长度、直径1、指尖角度和直径2。     

高功率密度斜向支柱锥齿轮辐板结构设计优化（英文）

为满足直升机传动系统对复杂工况下齿轮轻量化设计的迫切需求,提出了一种高功率密度斜向支柱锥齿轮辐板结构的设计优化方法。基于考虑应力约束的变密度法,对锥齿轮辐板进行了拓扑优化与重构,得到一种新颖的突破传统构型的高功率密度斜向支柱锥齿轮辐板结构。在传统粒子群优化（Particle swarm optimization,PSO）算法的基础上,引入马尔可夫链和进化因子,自适应地选择跳变策略和延迟信息,进而发展了智能先进的时滞跳变粒子群优化（Switching delayed PSO,SDPSO）算法,并将其应用于斜向支柱锥齿轮辐板结构的尺寸优化。优化后,锥齿轮辐板质量共减小了19.24%,所有工况的最大von Mises应力共减小了7.27%,各工况应力分布更加均匀,证明了所设计的锥齿轮辐板的结构优势和所提出的设计优化方法的先进性。     

卫星集群星间链路拓扑设计与相对导航（英文）

提出了一种基于星间测量与通信的卫星集群分布式相对导航方法,利用星间链路为相对导航提供星间测量并进行数据交换从而提高卫星集群系统的自主性。首先,考虑能量消耗和导航性能,将星间链路拓扑设计问题表述为一个多目标优化问题;此外,卫星集群以分布式方式进行相对导航,每颗卫星对相邻卫星进行测量并通过星间链路与相邻卫星通信,从而降低了导航的能耗和计算复杂度。采用NSGA-Ⅱ算法求解星间链路拓扑优化问题并基于一致性卡尔曼滤波进行分布式相对导航。本文提出的方法可适应不同的任务,卫星可以随时加入和离开集群并且对单个卫星失效具有鲁棒性。最后,通过数值仿真验证了本文方法的可行性。     

基于液滴定向反弹的混合润湿性表面设计准则（英文）

液滴撞击固体表面的定向反弹在防结冰/起雾、自清洁等工程应用中具有重要意义。混合润湿性表面已被证明是一种有效的液滴操纵方法。本文对液滴撞击构筑有亲水条纹的疏水基底进行数值模拟研究,采用已验证的扩散界面法来捕获界面演化。首先,研究卫星液滴在撞击过程中的形成过程,通过分析液滴的垂直速度和横向速度,明确混合润湿性表面在液滴扩散、收缩和反弹阶段中的作用。然后,系统探究条纹宽度对液滴反弹形式和接触时间的影响,重点关注液膜演化和液滴弹跳过程中的动力学和能量传递机制。所得结果可以指导混合润湿性表面的优化设计和液滴定向回弹的控制。     

大气冰非等径孔隙细观结构随机建模方法（英文）

大气冰内部孔隙细观结构是影响其宏观力学性能的关键因素,然而传统方法在精细化模拟孔隙结构中存在局限性。为了更准确地模拟大气冰孔隙细观结构,提出了一种基于统计原理的建模新方法。首先,通过图像识别获得大气冰孔径的统计信息。然后,通过拟合优度检验筛选确定与孔径真实分布相匹配的最优分布函数。其次,给出大气冰模型边界几何尺寸计算公式,并考虑孔隙相交情况,生成大气冰非等径孔隙细观结构随机模型。仿真结果表明,所生成大气冰模型中的孔隙定量信息与实验结果吻合较好,验证了建模方法的准确性和可行性。此外,系统讨论了二维、三维情况下模型参数对孔隙率精度与计算效率的影响。当模型中的孔隙数量达到50时,能够较好地实现孔隙率精度和建模成本之间的平衡,为后续力学性能精细化仿真提供支撑。     

模块化可展开天线支撑结构设计与力学特性研究（英文）

为满足空间可展开天线大型化、高精度、高刚度发展的迫切需求,提出一种模块化空间可展开天线支撑结构新构型,并对其进行了力学特性研究。首先,基于机构学基本理论,开展了天线总体结构方案设计和结构详细设计,建立了由19个六棱柱模块组成的模块化可展开天线三维模型。其次,根据压杆稳定理论,建立了天线支撑结构静力学分析模型,得到了拉索预紧力的取值范围。再次,建立了天线结构动力学分析模型,进行了模态分析,开展了固有频率影响因素及灵敏度分析与研究。最后,研制了一套天线支撑结构原理样机,并进行了展开功能试验与验证。研究结果表明：预紧拉索对结构刚度的影响较大,配置预紧拉索后结构刚度提高了约2.01倍;固有频率对杆件材料密度和弹性模量、弦杆及斜腹杆尺寸参数较为敏感;研制的原理样机展开平稳、顺畅,验证了结构设计的正确性。研究结果为模块化可展开天线的基础研究及工程应用提供了理论参考和技术支撑。